本发明属于太阳能热利用技术领域，涉及一种用于太阳能集热系统的保温材料及其制备方法。
背景技术：
随着能源资源的日益紧缺和环保压力的不断增大，世界各国都开始大力开发可再生能源，其中，太阳能作为开发利用最广、发展前景最好的可再生能源之一，已广泛应用于各行各业，太阳能热水器行业就是其中之一。
目前，太阳能热水器的集热系统中常用的保温材料为聚氨酯保温材料，由于生产聚氨酯保温材料的原材料存放环境一般较为简陋，很容易使原料发生缓慢失效，降低聚氨酯保温材料的保温性能。聚氨酯保温材料在生产过程中，因其自身特性、生产工艺及工人操作技能等各方面的原因，普遍存在泡沫收缩的问题，容易导致太阳能热水器的集热系统中泡沫与外壳部分脱落或全部脱落，最终导致外壳变形，真空管口泡沫开裂，甚至会出现内胆和外壳之间的聚氨酯硬泡沫横向或纵向开裂，大大降低了保温效果。生产聚氨酯保温材料常用的发泡剂如CFC-11(一氟三氯甲烷)等均为含氟发泡剂，容易在生产聚氨酯保温材料的过程中，产生大量的含氟物质，对大气臭氧层具有耗散作用，破坏生态环境。虽然也有企业用HCFC-141b(一氟二氯乙烷)替代CFC-11作为发泡剂，使大气臭氧层的耗散指数有所降低，但仍会对大气臭氧层产生破坏，并日益积累，因而并不能完全解决发泡剂对大气臭氧层破坏的问题。而欧洲等一些地区也有用环戊烷作为无氟发泡剂，但其生产的聚氨酯保温材料易燃，安全性较低，使其应用领域受到限制。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种安全环保的用于太阳能集热系统的保温材料及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种用于太阳能集热系统的保温材料，该保温材料由包括以下重量份含量的组分制备而成：聚氨酯树脂60-75份、聚丙烯酸20-30份、引发剂2-4份、助剂20-30份、催化剂1-3份、稳定助剂2-4份、发泡剂9-15份及填料11-19份，所述的发泡剂包括对苯磺酰肼或对甲苯磺酰肼中的一种或两种。
所述的聚氨酯树脂包括聚醚型聚氨酯树脂或聚烯烃型聚氨酯树脂中的一种或两种。
所述的聚丙烯酸为多羟基聚丙烯酸。
所述的引发剂包括过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯或过氧化甲乙酮中的一种或多种。这几种物质在常温下具有良好的稳定性，能够与稳定剂配合并分散在树脂中。
所述的助剂包括正庚烷或正丁醇中的一种或两种。正庚烷及正丁醇均具有良好的溶解效果，并能够在密炼反应过程中自然挥发，将催化剂分散，使反应更加充分。
所述的催化剂包括钛酸正丁酯、钛酸异丙酯或钛酸乙酯中的一种或多种。以钛酸酯作为催化剂，能够通过烷氧基直接和羟基或羧基进行化学作用，促进聚氨酯树脂发生内交联作用，并与聚丙烯酸发生酯化反应。
所述的稳定助剂包括2-乙基乙酸铅、乙酰丙酮、二苯基硫脲或2-苯基吲哚中的一种或多种。稳定助剂具有良好的交联材料稳定结构，能够保证交联反应的成键稳定。
所述的填料包括纳米二氧化硅或纳米碳酸钙中的一种或两种。
一种用于太阳能集热系统的保温材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)将聚氨酯树脂与引发剂混合后，在搅拌状态下滴加聚丙烯酸，之后在80-110℃下进行密封反应3-8h；
(2)分别加入催化剂及助剂，并在90-105℃下进行密炼反应2-4h；
(3)加入发泡剂，并在30-40℃下反应1-2h；
(4)分别加入填料及稳定助剂，搅拌1-2h后静置，即得到所述的用于太阳能集热系统的保温材料。
步骤(1)中，搅拌速率为700-1000r/min，所述的聚丙烯酸的滴加速率为5-8g/min，所述的密封反应的压力为大气压的110-150％；
步骤(2)中，所述的密炼反应在搅拌状态下进行，搅拌速率为1000-1500r/min；
步骤(3)中，所述的反应在搅拌状态下进行，搅拌速率为500-800r/min；
步骤(4)中，所述的搅拌为常温密封搅拌，搅拌速率为300-500r/min，搅拌后静置8-10h。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)采用二段式交联，通过聚氨酯树脂与聚丙烯酸的双链交联，不仅能够保留聚氨酯树脂导热系数低的特性，还能保留聚丙烯酸优良的力学性能，同时，利用催化剂使聚氨酯树脂发生内交联，形成交错型连接键，结构更加稳定，并使保温材料具有良好的保温隔热性能、耐高温性能及耐腐蚀性能；
2)本发明采用对苯磺酰肼或对甲苯磺酰肼作为发泡剂，使聚氨酯树脂内形成细微闭孔结构，保证聚氨酯树脂具有较小的收缩率及较大的抗撕裂强度；
3)制备方法简便，反应工艺条件温和，安全环保，由于反应温度适中，避免了对物质结构的破坏，使材料性能更加稳定，并降低了生产成本，易于进行工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种用于太阳能集热系统的保温材料，该保温材料由包括以下重量份含量的组分制备而成：
聚氨酯树脂60份、聚丙烯酸20份、引发剂2份、助剂20份、催化剂1份、稳定助剂2份、发泡剂9份及填料11份。聚氨酯树脂采用聚醚型聚氨酯，聚丙烯酸采用多羟基聚丙烯酸，引发剂采用过氧化二叔丁基，助剂采用正庚烷，催化剂采用钛酸正丁酯，稳定助剂采用2-乙基乙酸铅，发泡剂采用对苯磺酰肼，填料采用纳米二氧化硅。
其制备步骤如下：
步骤1，将聚氨酯树脂与引发剂加入至反应釜中，在搅拌状态下缓慢滴加聚丙烯酸，加温密封反应3h，聚丙烯酸的滴加速率为5g/min，搅拌速率为700r/min，反应温度为80℃，反应压力为大气压的110％；
步骤2，将催化剂与助剂加入至反应釜中，进行密炼反应2h，反应温度为90℃，搅拌速率为1000r/min；
步骤3，将发泡剂加入反应釜中，在搅拌下进行低温反应1h，反应温度为30℃，搅拌速率为500r/min；
步骤4，将填料与稳定助剂加入至反应釜中，密封搅拌1h，静置8h，即可得到用于太阳能集热系统的保温材料，其中，密封搅拌采用常温搅拌，搅拌速率为300r/min。
实施例2：
一种用于太阳能集热系统的保温材料，该保温材料由包括以下重量份含量的组分制备而成：
聚氨酯树脂75份、聚丙烯酸30份、引发剂4份、助剂30份、催化剂3份、稳定助剂4份、发泡剂15份及填料19份。聚氨酯树脂采用聚烯烃型聚氨酯，聚丙烯酸采用多羟基聚丙烯酸，引发剂采用过氧化二异丙苯，助剂采用正丁醇，催化剂采用钛酸异丙酯，稳定助剂采用乙酰丙酮，发泡剂采用对甲苯磺酰肼，填料采用纳米碳酸钙。
其制备步骤如下：
步骤1，将聚氨酯树脂与引发剂加入至反应釜中，在搅拌状态下缓慢滴加聚丙烯酸，加温密封反应8h，聚丙烯酸的滴加速率为8g/min，搅拌速率为1000r/min，反应温度为110℃，反应压力为大气压的150％；
步骤2，将催化剂与助剂加入至反应釜中，进行密炼反应4h，反应温度为105℃，搅拌速率为1500r/min；
步骤3，将发泡剂加入反应釜中，在搅拌下进行低温反应2h，反应温度为40℃，搅拌速率为800r/min；
步骤4，将填料与稳定助剂加入至反应釜中，密封搅拌2h，静置10h，即可得到用于太阳能集热系统的保温材料，其中，密封搅拌采用常温搅拌，搅拌速率为500r/min。
实施例3：
一种用于太阳能集热系统的保温材料，该保温材料由包括以下重量份含量的组分制备而成：
聚氨酯树脂65份、聚丙烯酸25份、引发剂3份、助剂25份、催化剂2份、稳定助剂3份、发泡剂12份、填料15份。聚氨酯树脂采用聚醚型聚氨酯，聚丙烯酸采用多羟基聚丙烯酸，引发剂采用过氧化甲乙酮，助剂采用正庚烷，催化剂采用钛酸乙酯，稳定助剂采用二苯基硫脲，发泡剂采用对苯磺酰肼，填料采用纳米二氧化硅。
其制备步骤如下：
步骤1，将聚氨酯树脂与引发剂加入至反应釜中，在搅拌状态下缓慢滴加聚丙烯酸，加温密封反应6h，聚丙烯酸的滴加速率为7g/min，搅拌速率为900r/min，反应温度为100℃，反应压力为大气压的135％；
步骤2，将催化剂与助剂加入至反应釜中，进行密炼反应3h，反应温度为97℃，搅拌速率为1400r/min；
步骤3，将发泡剂加入反应釜中，在搅拌下进行低温反应1h，反应温度为35℃，搅拌速率为700r/min；
步骤4，将填料与稳定助剂加入至反应釜中，密封搅拌1h，静置9h，即可得到用于太阳能集热系统的保温材料，其中，密封搅拌采用常温搅拌，搅拌速率为400r/min。
对比例：
将聚氨酯硬泡材料作为对比例，与实施例1-3制备得到的用于太阳能集热系统的保温材料一起进行性能测试，结果如下表所示：
由上表数据可以看出，实施例1-3制备得到的用于太阳能集热系统的保温材料具有较小的导热系数，因而保温隔热性能好；阻燃等级达到了B1级，具有良好的阻燃和耐高温性能；密度较大，抗压强度高，结构更为紧实，耐用性好。
实施例4：
一种用于太阳能集热系统的保温材料，该保温材料由包括以下重量份含量的组分制备而成：聚氨酯树脂60份、聚丙烯酸30份、引发剂2份、助剂30份、催化剂1份、稳定助剂4份、发泡剂9份及填料19份。
其中，聚氨酯树脂为聚醚型聚氨酯树脂；聚丙烯酸为多羟基聚丙烯酸；引发剂为过氧化二叔丁基；助剂包括正庚烷和正丁醇；催化剂为钛酸正丁酯；稳定助剂为2-乙基乙酸铅；发泡剂为对苯磺酰肼；填料为纳米碳酸钙。
一种用于太阳能集热系统的保温材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)将聚氨酯树脂与引发剂混合后，在700r/min的搅拌速率下，以5g/min的速率滴加聚丙烯酸，之后在90℃下进行密封反应5h，密封反应的压力为大气压的130％；
(2)分别加入催化剂及助剂，并在90℃、1000r/min的搅拌速率下进行密炼反应4h；
(3)加入发泡剂，并在35℃、600r/min的搅拌速率下反应1.5h；
(4)分别加入填料及稳定助剂，在300r/min下常温密封搅拌2h，之后静置10h，即得到用于太阳能集热系统的保温材料。
实施例5：
一种用于太阳能集热系统的保温材料，该保温材料由包括以下重量份含量的组分制备而成：聚氨酯树脂75份、聚丙烯酸20份、引发剂4份、助剂20份、催化剂3份、稳定助剂2份、发泡剂15份及填料11份。
其中，聚氨酯树脂为聚烯烃型聚氨酯树脂；聚丙烯酸为多羟基聚丙烯酸；引发剂为过氧化甲乙酮；助剂为正庚烷；催化剂为钛酸乙酯；稳定助剂为乙酰丙酮；发泡剂为对甲苯磺酰肼；填料包括纳米二氧化硅和纳米碳酸钙。
一种用于太阳能集热系统的保温材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)将聚氨酯树脂与引发剂混合后，在1000r/min的搅拌速率下，以8g/min的速率滴加聚丙烯酸，之后在110℃下进行密封反应3h，密封反应的压力为大气压的150％；
(2)分别加入催化剂及助剂，并在105℃、1500r/min的搅拌速率下进行密炼反应2h；
(3)加入发泡剂，并在40℃、800r/min的搅拌速率下反应1h；
(4)分别加入填料及稳定助剂，在500r/min下常温密封搅拌1h，之后静置8h，即得到用于太阳能集热系统的保温材料。
实施例6：
一种用于太阳能集热系统的保温材料，该保温材料由包括以下重量份含量的组分制备而成：聚氨酯树脂68份、聚丙烯酸25份、引发剂3份、助剂25份、催化剂2份、稳定助剂3份、发泡剂12份及填料17份。
其中，聚氨酯树脂包括聚醚型聚氨酯树脂和聚烯烃型聚氨酯树脂；聚丙烯酸为多羟基聚丙烯酸；引发剂包括过氧化二叔丁基和过氧化二异丙苯；助剂为正丁醇；催化剂包括钛酸正丁酯和钛酸异丙酯；稳定助剂包括二苯基硫脲和2-苯基吲哚；发泡剂为对苯磺酰肼和对甲苯磺酰肼；填料为纳米二氧化硅。
一种用于太阳能集热系统的保温材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)将聚氨酯树脂与引发剂混合后，在800r/min的搅拌速率下，以6g/min的速率滴加聚丙烯酸，之后在80℃下进行密封反应8h，密封反应的压力为大气压的110％；
(2)分别加入催化剂及助剂，并在97℃、1200r/min的搅拌速率下进行密炼反应3h；
(3)加入发泡剂，并在30℃、500r/min的搅拌速率下反应2h；
(4)分别加入填料及稳定助剂，在400r/min下常温密封搅拌1.5h，之后静置9h，即得到用于太阳能集热系统的保温材料。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。